Baixe fsc5163 - entropia - 2aleiterm - 20071 e outras Notas de estudo em PDF para Física, somente na Docsity! 1 Entropia e a Segunda Lei da Termodinâmica quarta-feira, 20/06/07 2 Entropia e a Segunda Lei da Termodinâmica • A 1ª lei restringe as trocas de energia entre um sistema e sua vizinhança impondo a conservação da energia total. • Há vários processos na natureza que não violam a 1ª lei e que não ocorrem espontaneamente. Por exemplo, ela não impede que o calor passe de uma fonte fria para uma fonte quente  só é possível transferir calor de uma fonte fria para uma fonte quente quando se realiza trabalho sobre o sistema. 2ª Lei da Termodinâmica Formaliza os conceitos de processos reversíveis e irreversíveis. Restringe o tipo de conversões energéticas nos processos termodinâmicos 5 Refrigeradores Os refrigeradores operam num processo cíclico percorrido no sentido inverso: 3. É realizado trabalho sobre ele, “recebe” um trabalho líquido 4. Retira energia térmica de um reservatório a temperatura mais baixa. 5. Libera energia em um reservatório a temperatura mais elevada. 0HQ < 0CQ > 0W < 6 Refrigeradores • A relação da 1ª Lei obtida (com valores absolutos) para as máquinas térmicas, continua válida para os refrigeradores: • Do ponto de vista de rendimento, o melhor refrigerador é o que remove a maior quantidade de calor |Qc| para o mesmo trabalho realizado |W|. Então, a razão relevante é o coeficiente de performance K: • Sempre é preciso realizar um trabalho para transferir calor de um corpo frio para um corpo quente. O calor flui espontaneamente de um corpo quente para um corpo frio (Princípio do Equilíbrio Térmico) e o fluxo inverso necessita de um trabalho externo. H CW Q Q= − C C H C Q Q K W Q Q = = − 7 Segunda Lei da Termodinâmica • A impossibilidade de ter uma máquina térmica 100% eficiente é a base para a segunda lei da termodinâmica: É impossível para qualquer sistema sofrer um processo no qual ele absorve calor de um reservatório a uma dada temperatura e converte calor completamente em trabalho mecânico, de modo que o sistema termine em um estado idêntico a estado inicial. • A Primeira Lei proíbe a criação ou destruição de energia; a Segunda Lei limita a disponibilidade da energia e os modos de conversão e de uso da energia. • Outro enunciado (refrigeradores): É impossível a realização de qualquer processo que tenha como única etapa a transferência de calor de um corpo frio para um corpo quente. 10 Máquina de Carnot Ciclo de Carnot: É constituído por 2 isotérmicas reversíveis 2 processos adiabáticos reversíveis Para que a conversão de calor em trabalho seja feita da maneira mais eficiente possível: Todo processo em nosso ciclo idealizado deve ser isotérmico ou adiabático. O equilíbrio térmico e mecânico deve ser sempre mantido de modo que cada processo seja completamente reversível. O ciclo de Carnot demonstrado usa como substância de trabalho um gás ideal dentro de um cilindro com pistão. Hei meseremnit at Ti (ai = 4 Aetialomtde Exeiá resina 1 j =" E dt Escothare nal ttsem are Hein reserende ai, art 1 12 A  B O gás se expande isotermicamente na temperatura TH absorvendo calor QH; B  C O gás se expande adiabaticamente até que a temperatura cai para TC. B  C Ele é, então, comprimido isotermicamente na temperatura TC, rejeitando o calor |QC|. C  D Ele é comprimido adiabaticamente, retornando ao seu estado inicial na temperatura TH. Ciclo de Carnot 15 Ciclo de Carnot: cálculo da eficiência térmica 1 1C C H H Q Te Q T = − = − A eficiência da máquina de Canot dependende apenas das temperaturas Absolutas dos dois reservatórios. A eficiência nunca pode ser exatamente igual a 1, a menos que TC = 0. 16 Ciclo de Carnot: refrigerador / / 1 / C C H C C H H C C H H C H C Q Q Q TK Q Q Q Q Q Q T TK T T = = = − − = − 17 Ciclo de Carnot: refrigerador Todas as máquina de Carnot funcionando entre as mesmas temperaturas possuem a mesma eficiência, não depende da substância de trabalho.  A eficiência da máquina de Carnot coloca um limite para a eficiencia de qualquer máquina real. Para maximizar este limite superior de uma máquina real, deve-se fazer a temperatura TH da etapa de fornecimento de calor a mais elevada possível e a temperatura de exaustão, TC a mais baixa possível. 20 Segunda Lei da Termodinâmica e Entropia  EXEMPLO: Um quilograma de água a 00C é aquecido até 1000C. Qual a sua variação de entropia?  A variação de entropia em qualquer processo cíclico reversível é nula. Não depende do caminho percorrido. 2 2 2 2 1 11 1 3 ln 373(1 )(4190 / ) ln 273 1,31 10 / TdQ dTS S mc mc T T T Kkg J kg K K J K − = = = = ⋅ = × ∫ ∫ 21 Segunda Lei da Termodinâmica e Entropia  Entanto, todos os processos irreversíveis envolvem aumento de entropia. A entropia é uma grandeza que não se conserva. A entropia de um sistema isolado pode variar, porém, ela nunca pode diminuir. EXEMPLO: a expansão livre de um gás é um exemplo de processo irreversível de um sistema isolado no qual existe aumento de entropia.  Microscopicamente, a entropia tem uma interpretação probabilística e está associada com a probabilidade de se encontrar um sistema em um determinado microestado. A Segunda Lei pode ser enunciada usando-se a entropia S da seguinte forma: “Em sistemas isolados termicamente, a entropia de um sistema submetido a processos reversíveis se mantém constante e a entropia do submetido a processos irreversíveis sempre aumenta.” - Os processos em que se dissipa energia em forma de calor (atrito) são irreversíveis e a variação de entropia é sempre positiva. - Existem diferentes formas de distribuir a energia E de um sistema entre seus átomos e moléculas. Cada estado associado à energia E é denominado microestado.